DE3920872A1 - Verfahren zur herstellung von ultraschall-wandlern, insbesondere von schichtwandlern, die ausser piezoelektrischem material auch kunststoffmaterial umfassen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von ultraschall-wandlern, insbesondere von schichtwandlern, die ausser piezoelektrischem material auch kunststoffmaterial umfassenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der DE-C-25 37 788 ist ein Ultraschallwandler zur Aussen
dung von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlängen
bekannt. Sein Wandlerkörper besteht zum einen aus Piezokeramik
und ist auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen mit den
Elektroden eines Elektrodenpaares belegt. Auf der zur
Schallaussendung vorgesehenen Oberfläche des Wandlerkörpers
befindet sich, und zwar zur Anpassung der Schallkenn-Impedanzen
der Piezokeramik und des Ausbreitungsmediums Luft aneinander,
eine Lambda-Viertel-Schicht aus einem Material mit einer
Schallkenn-Impedanz, die zwischen der der Keramik und der der
Luft liegt. Als Material ist hierfür z.B. Polystyrol angegeben,
das mit Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid gefüllt ist und
so die Eigenschaften eines Schaumstoffes hat. Die Herstellung
solchen Materials ist in der genannten Patentschrift
ausführlich angegeben. Diese Schicht wird als Anpassungsschicht
oder als Anpassungskörper bezeichnet.
In ähnlicher Weise aufgebaute Schallwandler gehen aus weiterem
Stand der Technik hervor. Im Prinzip gleichen sie sich weit
gehend darin, daß zusätzlich zur schallharten Piezokeramik ein
weit weniger schallharter, geschäumter Kunststoff Bestandteil
eines solchen Wandlers ist.
Weitere piezoelektrische Wandler, die aus Piezokeramiklamellen
und Kunststoffmaterial, insbesondere thermoplastischem
Polyäthylen bestehen, sind aus der US-A-46 77 337 bekannt. Es
sind dies ebenfalls Schichtwandler. Das Kunststoffmaterial
bildet hier den einstückigen Verbund zwischen den Lamellen.
Bei der Herstellung aller derartigen Wandler ist es
erforderlich, eine dauerhaft haltbare Verbindung zwischen der
Piezokeramik und dem Kunststoffmaterial herzustellen, wobei die
jeweilige Oberfläche der Piezokeramik mit einer
Metallisierungsbeschichtung als Elektrode versehen sein kann.
Bisher werden Schichtwandler unter Verwendung flüssiger,
aushärtender Spezialkleber oder durch eine Preßverformung her
gestellt, bei der ein Stapel aus Piezokeramiklamellen und
Thermoplastplättchen bei Temperaturen oberhalb der Schmelz
temperatur des Thermoplastes verfestigt wird. Beide Verfahren
sind zeitraubend und aufwendig. Die Verwendung flüssiger
Kleber, z.B. Zweikomponentenkleber, erfordert präzise
Dotierung, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Manche
Thermoplaste, z.B. das häufig benutzte Polyäthylen, müssen
aufwendig vorbehandelt werden, (Ätzbäder, Abflammen), um
dauerhafte Klebung zu erzielen. Auch ist Aufwand erforderlich,
den fertigen Wandler nachzubearbeiten, um z.B. Klebfugen und
dergleichen eben zu machen.
Ein homogener Verbund wird durch die Preßverformung erzielt,
wobei insbesondere die als Schall-Abstrahlfläche des Wandlers
vorgesehene Fläche des Wandlerkörpers ohne sichtbare Fugen
bleibt. Dieses Verfahren hat jedoch eine Reihe Nachteile, ins
besondere daß es zeit- und energieaufwendig ist und im Her
stellungsverfahren Materialveränderungen an dem Kunststoffma
terial eintreten, die sich nachteilig auf die
elektroakustischen Kenndaten des Wandlers auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzu
geben, mit dem möglichst wenig aufwendig ein solcher Schicht
wandler, bestehend aus dem piezoelektrischen Material,
und an sich bekanntem thermoplastischen Material der An
passungsschicht, herzustellen ist. Der Wandler soll einen
möglichst großen Wirkungsgrad haben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein
Herstellungsverfahren, das die Verwendung eines zusätzlichen
Klebers vorsieht, kein Weg zur Erfüllung der zugrundeliegenden
Aufgabenstellung ist. Vielmehr ist ein Herstellungsverfahren
weiter zu entwickeln, das das Klebvermögen thermoplastischer
Materialien zur Verbindung eines solchen mit dem piezoelektr
ischen Material des Wandlers nutzt, und zwar auch dann, wenn
das thermoplastische Material des Wandlers als Schaumstoff vor
liegen muß. Bekanntermaßen kann in der Regel aber derartiger
Schaumstoff nicht erwärmt werden, da er dann diese Eigenschaft
verliert. Insbesondere verschwinden bei Erwärmung und Pressen
von thermoplastischem Schaumstoff die für diesen Schaum
besonders relevanten geschlossenzelligen Poren.
Mit der Lehre der Erfindung braucht nicht auf das übliche,
aufwendige Kleben zurückgegriffen zu werden.
Wie aus den Merkmalen des Patentanspruches hervorgeht, wird bei
der Erfindung mit Erwärmung gearbeitet, jedoch dabei mit einer
ganz ungewöhnlichen Wärmequelle. Die Wärmequelle ist nämlich
die Piezokeramik des eigentlichen Wandlerkörpers, in dem bei
entsprechend hoher elektrischer Schwingungsanregung ein erheb
liches Maß an thermischer Verlustleistung entsteht, die unmit
telbar an der Oberfläche des Keramikkörpers zur Verfügung
steht. Gerade diese Oberfläche der Keramik ist aber diejenige,
an der das Kunststoffmaterial, z.B. der thermoplastische
Schaumstoff und dergleichen, anzukleben ist. Diese beiden durch
Kleben miteinander zu verbindenden Oberflächen des
piezoelektrischen Wandlerkörpers und des Kunststoffmaterials
werden durch die in der Keramik erzeugte Verlustleistung direkt
aufgeheizt. Das Kunststoffmaterial wird nur im Bereich dieser
an der Piezokeramik anliegenden Oberfläche bis zu einer nur
geringen Schichtdicke derart aufgeheizt, daß dort der
thermoplastische Zustand mit Klebwirkung erzielt wird. Weiter
entfernt von dieser an der Piezokeramik anliegenden Fläche
bleibt das Material kalt. Es kann deshalb auch ohne weiteres
ein Anpreßdruck ausgeübt werden, da der im kalten Zustand
bleibende Schaumstoffkörper dabei seine Eigenschaften nicht
verändert, wohl aber ein gutes Verkleben der von der Keramik
her erwärmten Oberflächenschicht des Anpassungskörpers mit der
Keramik zu erzielen ist.
Im Einzelfall kann mit zeitlich mehr oder weniger langen
Impulsen gearbeitet werden, mit denen mittels eines
Leistungs-Hochfrequenzgenerators die Piezokeramik des Wandlers
erwärmt wird. Die Dauer und/oder Amplitude eines solchen
Impulses kann im Hinblick auf zu erreichende Tiefe der
Schmelzzone im Thermoplast optimiert werden.
Der Vorteil der Erfindung liegt neben der einfachen Ausführbar
keit des Verfahrens darin, daß die für das Verkleben notwendige
Schmelzwärme für das thermoplastische Material des Anpassungs
körpers genau und ausschließlich dort bereitgestellt wird, wo
diese Wärme erforderlich ist, nämlich im Bereich der zu verkle
benden Fläche. Weiter von Vorteil ist, daß diese Wärme zu
gleicher Zeit gleichmäßig über die Klebfläche hinweg verteilt
in ausreichendem und in wesentlichem gleichen Maße zur
Verfügung steht. Von besonderem Interesse ist dies für
Schichtwandler-Arrays nach der US-A-46 77 337. Bei Wandlern
dieser Patentschrift und ähnlichen Ultraschall-Wandlern ist
eine Vielzahl von piezokeramischen Lamellen mit diese Lamellen
umgebendem thermoplastischen Material zu verkleben, und zwar
dies formgenau. Bei Anwendung von Wärme von außen ergab sich
häufig der Mangel, daß äußere Bereiche des Verbundkörpers des
Schichtwandlers durch höhere Erwärmung bei dem anliegenden
Druck dahingehend verformt waren, daß die vorgegebenen Schicht
dicken des thermoplastischen Materials zwischen den einzelnen
Keramiklamellen des Wandlers verringert waren und/oder in
diesen Bereichen das Maß des Schäumungszustandes des Materials
verändert war. Bei Anwendung der Erfindung ist dies zuverlässig
vermieden, d.h. es ist ein aus vielen Piezokeramik-Lamellen mit
dazwischenliegendem Kunststoff bestehendes
Ultraschallwandler-Array herstellbar, das die vorgegebene
Bemessung auch im Detail aufweist.
Die Figur zeigt mit 1 bezeichnet einen Schichtwandler, be
stehend aus mit Elektroden versehenen Piezokeramik-Lamellen 2
und aus Platten 3 aus Kunststoffmaterial (z.B. Polyäthylen), das
zu einem vorgegebenen Maß geschäumt sein kann. Mit P ist auf
einen Anpreßdruck der Platte 10 hingewiesen. Mittels des mit den
Leitungen 9 an die Elektroden der Oberflächen der Lamellen 2
angeschlossenen Hochfrequenz-Generators Hf wird das Piezo
material der Lamellen 2 zu starken Schwingungen angeregt. Dabei
tritt eine für das Verkleben notwendige und ausreichende Er
wärmung des Piezomaterials ein.
Claims (6)
1. Verfahren zum Heiß-Verkleben des auf Oberflächen mit
Elektroden versehenen, aus piezoelektrischem Material be
stehenden Anteils und des thermoplastisches Material um
fassenden Anteils des Wandlers, wobei diese Anteile anein
anderliegend unter Wärmezufuhr miteinander zu verkleben sind,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Wärmezufuhr in der Weise bewirkt wird, daß der aus piezoelektrischem Material bestehende Anteil (2) des Wandlers durch Anlegen elektrischer Hochfrequenzspannung an dessen Elektroden zu mechanischen Schwingungen mit derartiger Amplitude angeregt wird,
daß durch die dabei auftretende Verlustwärme das thermo plastische Material an und nur im Nahbereich der Verklebungs fläche für die für den Klebvorgang notwendige Zeitdauer bis in seinen klebfähigen Zustand erwärmt wird und dann Abkühlung erfolgt.
daß die Wärmezufuhr in der Weise bewirkt wird, daß der aus piezoelektrischem Material bestehende Anteil (2) des Wandlers durch Anlegen elektrischer Hochfrequenzspannung an dessen Elektroden zu mechanischen Schwingungen mit derartiger Amplitude angeregt wird,
daß durch die dabei auftretende Verlustwärme das thermo plastische Material an und nur im Nahbereich der Verklebungs fläche für die für den Klebvorgang notwendige Zeitdauer bis in seinen klebfähigen Zustand erwärmt wird und dann Abkühlung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch ,
daß zumindest während der Dauer des klebfähigen Zustandes
nicht die Verklebungsfläche unter mechanischem Anpreßdruck (P)
befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch ,
daß die die Verlustwärme erzeugenden Schwingungen impuls
weise erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
gekennzeichnet dadurch ,
daß das thermoplastische Material Polyäthylen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
gekennzeichnet dadurch ,
daß das thermoplastische Material Polystyrol ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet dadurch ,
daß das thermoplastische Material sich in einem an sich
temperaturempfindlichen geschäumten Zustand befindet.
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3920872A1 true DE3920872A1 (de) | 1991-01-03 |
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DE19893920872 Withdrawn DE3920872A1 (de) | 1989-06-26 | 1989-06-26 | Verfahren zur herstellung von ultraschall-wandlern, insbesondere von schichtwandlern, die ausser piezoelektrischem material auch kunststoffmaterial umfassen |
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DE (1) | DE3920872A1 (de) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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